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1、石家庄铁道大学实验报告课程名称分院 班组桌号实验者姓名 实验日期 年 月 日评分 教师签名一、实验目的1、了解水热合成纳米材料的原理2、掌握水热合成CdS纳米材料的方法及特性二、实验原理（一）水热法材料合成原理水热合成法是指在特制的密闭反应釜中，以水作为溶剂，通过对反应体系加 热并利用水的自身蒸汽压，创造一个相对高温高压的反应环境而进行相关化学反 应的一种材料合成与处理的有效方法。依照反应类型的不同，水热法可以分为水 热氧化、水热还原法、水热沉淀、水热结品等。一般来说，在高温高压水热体系中，水的性质将发生很大变化。例如：水的 离子积和蒸汽压变高，介电常数、密度、粘度和表面张力均变低等。此时，物
2、质 在水中的物性与化学反应性能均发生很大的变化，因此水热反应与普通反应有很 大的差别。一些热力学分析上可能进行，而在常温常压下受动力学条件影响进行 缓慢或难于进行的反应，在水热条件下都可以进行。相对于传统方法制备无极功能材料，水热法有以下特点：低中温液相控制， 能耗较低，且适用性广，可以合成各种形态的材料；原料相对廉价，工艺较为简 单，反应产率高，可以直接得到物相均匀、结品完好、粒度分布窄的粉体，而且 产物分散性好、纯度高；合成反应始终在密闭反应釜中进行，可控水热反应条件 （前驱物形式、反应温度、反应时间等）来为产物的晶相、形貌以及纯度进行调 控。在实际应用中也常将水换为其他溶剂（也称为溶剂热
3、法）（二）CdS纳米材料的水热合成原理CdS是典型的11-族半导体材料，在光催化、光电转换、光电器件等方面 表现出巨大的应用潜力。但纳米CdS具有很大的比表面，在常态下不稳定，若 想将其特殊性付诸于应用，则需把它以某种形式与其他材料符合与组装，进而实 现对CdS尺寸、粒度分布、形态及组装维数的控制。1. 硫源的影响：本实验中作为硫源的硫脲是一种常用的有机硫源，在加热 情况下，能够释放出反应所需要的硫离子。另一方面，硫脲分子与Cd2+还存在 着一种配位关系，在反应体系中形成比较稳定的Cd2+-硫脲螯合体。使得硫脲离 子如果要同镉离子反应生成CdS必须要与硫脲分子展开竞争，造成的一个结果 就是使得
4、在成核阶段的反应物Cd2+离子浓度变小，并且给之后的晶体生长阶段 提供浓度较为稳定的反应源。这样更有利于CdS纳米品体沿c轴择优取向生长。2. 修饰剂的影响：当CdS纳米粒子被有机物修饰后，其粒径大小会由于表 面修饰剂的作用而发生变化，有机物阻止了 CdS纳米粒子之间的相互碰撞和键 合。这是由于无机反应物同高分子之间的相互作用，在成核位置上粒子流入速度 及高分子格子对反应物的空间位阻作用等三个因素对无机离子的形态、尺寸及品 型起着决定性作用。本实验所用的修饰剂PVA分子中含有的-OH基团会与CdS产生相互作用， 吸附在CdS特定的品面上，使得该品面的表面能降低，从而造成CdS品体在垂 直于该品
5、面方向的生长速度大大降低。而对于六角纤维矿结构的CdS，其（00h） 面与PVA之间相互作用要弱于其它品面。因此相对而言，PVA分子不容易吸附 在（00h）品面，而更倾向于吸附在沿00h方向，即c轴取向生长的CdS晶体的 侧面，这样就有效的限制了侧面的生长。另一方面，过高的PVA浓度造成对CdS表面的作用方式发生变化，高分子 与高分子之间的交联作用，以及PVA分子强烈的空间位阻作用，极大的限制了 反应物离子的扩散速度，降低了 CdS品粒的成核与生长速率，各晶面的生长不 再具有明显的优势，使得产物CdS晶体最终的形貌发生很大改变。3、溶剂的影响：镉（Cd）离子会同乙二胺合成Cd（en）22+。而
6、乙二胺能够 与水无限互溶，两者之间有较强的氢键作用。有较多水存在时，Cd（en）22+的形 成被抑止。而该中间态络合物的结构在CdS纳米棒的形成起关键作用，其形成 的四配位平面几何结构使得S2-只有上下一个优先方向接近络合物中心离子 Cd2+，因而倾向于生成CdS纳米棒。另外溶剂的介电常数对粒子的成核与生长也 有重要作用。溶剂的介电常数越高，离子浓度越大，扩散能力越强，导致了离子 易于向各个晶面移动，最终得到的粒子三维尺寸均较大，趋向于球状颗粒。三、实验所用的试剂和设备1. 实验设备：不锈钢反应釜（带聚四氟乙烯内胆）、磁力搅拌器、电热恒温 干燥箱、离心机。JEM-2100型透射电镜（TEM）。
7、2. 实验材料：氯化镉（CdCl22.5H2O）、硫脲SC（NH2）2、聚乙烯醇（PVA， 1788）、乙二胺（C2N2H8）、无水乙醇。四、实验内容与步骤1. CdS纳米品粒的制备以氯化镉为镉源，硫脲为硫源，在100ml聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜里 180。虾水热合成CdS粉末样品。具体操作步骤如下：（1）分别称取不同质量的PVA （平均分子量1788） 0g、1g、3&，各加 1mmolCdCl22.5H2O及40ml蒸馏水，磁力搅拌使之完全溶解。（2）称取3mmol硫月尿超声溶解于10ml蒸馏水中。（3）将上述两溶液混合，再添加30ml蒸馏水，磁力搅拌30min使之混合 均匀。(4)
8、将混合溶液转入反应釜中180。或应12h。反应完毕自然冷却。(5) 产物分别用蒸馏水和无水乙醇离心清洗数次，得到的黄色沉淀产物在 真空干燥箱内干燥。(6) 做样品的TEM照片，分析其形貌结构。2. 溶剂对CdS纳米品粒形貌的影响(1) 分别称取1mmolCdC：2.5H2O和3mmol的硫脲，将两者反应釜内胆中。(2) 加入80ml溶剂充分搅拌使其混合均匀。溶剂的水和乙二胺的比例分别 为 80:0，40:40，0:80,。(3) 装入反应釜密封后在180。下恒温反应24h(4) 反应完毕自然冷却全室温，然后用蒸馏水和无水乙醇离心清洗几次， 得到的产物在真空干燥箱中干燥。(5) 做样品的TEM照片，分析其形貌结构。五、实验报告要求1. 简述水热合成法的原理以及溶剂所起的作用。2. 简述以上实验反应的反应机理以及CdS合成实验中的PVA对反应所起作 用的可能机理。六、问题与讨论1. 相对于其他纳米材料的合成方法，水热法有哪些优点？2. CdS纳米粒子合成实验中，PVA作用是什么？改变PVA的加入量会对合 成产物产生什么影响？3. 乙二胺如何影响CdS纳米品粒的形貌？4. 讨论实验过程和条件能否进行优化和改进。
